選擇泡沫金屬，石蠟制作復合相變材料

魏夢麗　禹森　葉瀟強

【摘 要】對相變材料進行溫度恒定、儲熱量大、儲熱容器體積小、能源轉化率高等特點進行了分析。進行了對泡沫金屬和石蠟的性質結構的研究，提出了泡沫金屬和石蠟組合成復合相變材料的方法。

【關鍵詞】泡沫金屬;石蠟;復合材料;泡沫銅

中圖分類號： TB34 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）10-0179-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.077

Selection of Foam Metal and Paraffin for Composite Phase Change Materials

WEI Meng-li YU Sen YE Xiao-qiang

（Jiaxing Institute of Architectural Engineering，Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

【Abstract】The characteristics of phase change materials，such as constant temperature，large heat storage capacity， small volume of heat storage container and high energy conversion rate，are analyzed.The properties and structure of foam metal and paraffin were studied.A method of combining foam metal and paraffin into composite phase change material was put forward.

【Key words】Foam metal;Paraffin wax;Composite material;Foam copper

0 引言

近些年隨著節(jié)能意識的普及和能源應用的廣泛，如何更加高效的利用能源成了迫在眉睫的事情?；谶@樣的現況，我們想研究一種儲熱更好的復合相變材料。

1 泡沫金屬的特點及應用

泡沫金屬作為一類新型的復合一體化材料。自從1948年被科學家氣化制取得到之后，憑借其優(yōu)良的性能，在各個領域，尤其是航空航天方面發(fā)揮著巨大的作用。

它不同于傳統(tǒng)金屬的優(yōu)良的性能，源于其特殊的結構。

在結構方面它有著三個顯著特點：

1）孔徑大：它并不是密致結構，而是更類似于氣體結構，這是泡沫金屬材料最大區(qū)別于傳統(tǒng)金屬材料的點。

2）孔隙率高：泡沫金屬它孔徑較大（一般在0.1～10mm之間），貫通孔較多，像極了氣體，因此它的孔隙率極高，而且其隨著組成材料不同，孔隙率會變化，一般在40%～98%范圍內變化。

3）密度低：這個特點也是顯而易見的，與孔隙率有著極大的關系。隨著泡沫金屬孔隙率的提高，它的密度也隨之減低，一般為同體積金屬的3/5～1/50不等。[1]

說完了結構，再來看性能，結構決定了性能。由于泡沫金屬是以金屬基體骨架為架構材料，因此其性質主要取決于所用金屬基體、基體氣孔率和氣孔結構，當然制備工藝也有一定的影響。通常來說，泡沫金屬的各項性能與氣孔有著分不開的關系。力學性能，導電性，導熱性等都隨氣孔率的增加而呈現不同程度降低。其中高孔隙率使泡沫金屬具有良好的隔熱性能。另外一方面，氣孔可以讓泡沫金屬擁有良好的的抗沖擊性能。壓力使氣孔塌陷，金屬的整體受力面積增加同時材料應變硬化。

基于上述提到的泡沫金屬材料的種種性能，尤其是較高的孔隙率所帶來的良好的隔熱性能。大部分金屬或合金的導熱系數在l0～300W/（m·K）之間，而對于泡沫金屬材料，其有效熱導率僅為金屬或合金的1%～10%。良好的隔熱性能，高空隙率，抗沖擊性，它很適合做復合材料的骨架。[2]

說完性能結構方面，看看目前使用情況。目前應用的泡沫金屬有鋁鎳銅及其合金，泡沫鋁及其合金質輕，能吸音、隔熱、減振、吸收沖擊能和電磁波等，多用于航天航空領域。泡沫鎳因其高通氣性、高比表面積和毛細力，多用于制作流體過濾器、霧化器、催化器、電池電極板和熱交換器等。泡沫銅導電性和延展性好，且制備成本比泡沫鎳低，導電性能更好，可將其用于制備電池負極（載體）材料、催化劑載體和電磁屏蔽材料。

2 石蠟的特點及應用

石墨具有溫度恒定、比熱高、能源轉化率高等特點，是進行儲熱良好材料。因此它在太陽能利用、廢熱回收、建筑節(jié)能等領域具有廣闊應用，尤其是在建筑供暖、空調領域的應用已成為國內外研究的熱點[3]。

石蠟作為相變材料中應用最廣泛的一種。主要有以下幾點原因[4]：

1）物理性質穩(wěn)定。不易燃易爆，無毒，對金屬無腐蝕;

2）化學活性較低。呈中性，化學性質穩(wěn)定;

3）相變溫度可變。其種類繁多，組分多樣，各自有著不同的相變溫度。它沒有固定的熔點，相變過程發(fā)生在一定的溫度范圍之內;

4）具有疏水性。不易風化或者洗脫;

5）生產加工簡易方便，經濟成本低。可由石油加工副產品得或是合成制得。

6）不存在過冷現象和相分離的缺陷;

但是石蠟也不是完美的，它導熱系數小、單位密度小和單位體積儲熱能力差等問題，在一定程度上限制了其在儲熱技術中的應用。

為了克服單一的石蠟作為相變材料所存在的缺點，我們選擇制作復合型石蠟相變材料，將石蠟與泡沫金屬相結合使用，從而組成復合型相變儲能材料。既可以利用石蠟的穩(wěn)定物理化學性能，同時又可以利用泡沫金屬的性能，彌補石蠟做為單一的相變儲能材料的缺點。以達到充分利用太陽能這種可再生能源來達到建筑節(jié)能的目的。

3 泡沫銅石蠟復合相變材料的制備猜想

我們在泡沫金屬中選擇了泡沫銅。泡沫銅制備成本相較而言是比較低的。若用電沉積法進行制備可達到大于95%的孔隙率;用燒結法進行制備也可達到50%以上的孔隙率。從制作復合相變材料的角度，我們需要選擇高孔隙率的泡沫銅，以便可以盡可能的填充更多的石蠟，使復合材料可以儲蓄更多的熱量。

經過選擇，制作方法泡沫銅石蠟復合相變材料是按照向泡沫銅骨架網的空隙中加入一定狀態(tài)下的液態(tài)石蠟相變材料。制備過程需要恒溫水浴鍋、不銹鋼容器等組成。將石蠟切成片與泡沫銅一起放在不銹鋼容器中，把盛有泡沫銅和石蠟的不銹鋼容器放入恒溫水浴鍋中加熱至80攝氏度，加熱一小時待石蠟與泡沫銅混合均勻后對不銹鋼容器進行冷卻，取出復合相變材料，取出多余的石蠟即可。

對于不同孔隙率的泡沫銅石蠟復合相變材料，它的等效導熱系數和熱容都隨相變材料孔隙率的減小而增大，因為銅金屬的導熱系數和熱容都大于石蠟，所以相變材料中泡沫銅的含量對相變材料的導熱系數影響非常大，因為不同的多孔結構對相變材料的導熱系數也有一定的影響，當復合相變材料為三維正十四面體模型時的導熱系數公式如下[6]

由于泡沫銅的密度比較大，使得蓄熱設備的重量增加，而且泡沫銅體積分數的增加使得復合相變材料的蓄熱量減少，因此泡沫銅和石蠟的量必定存在一個均衡點。

在泡沫銅/石蠟復合材料的應用方面，目前大部分還處于實驗階段。在汽車鋰電池的散熱研究中，采用泡沫銅/石蠟復合材料來解決這一問題。使用了復合材料的鋰電池比沒用的最高溫度降低了了10.36℃和12.56℃，起到了明顯的散熱作用，同時不同的包覆方式效果最好的是四面包覆，如下圖所示：

在泡沫銅/石蠟的鋰電池熱管理系統(tǒng)的研究中，體現了其顯著減小加熱器溫度變化幅度的優(yōu)勢。在一種用于防止鋰電池熱失控的復合板及其制作方法的專利和一種LED散熱燈罩的專利中也有用到泡沫銅/石蠟復合材料。

在強化相變蓄熱器傳熱條件的研究中，對泡沫銅/石蠟相變材料進行了填充，泡沫銅推動了石蠟加速融化，也增強了導熱，使溫度能更快地變一致均勻，強化了蓄熱器的蓄熱。這種裝置可在太陽能空調，太陽能相變蓄熱熱水器等，其中需要使用蓄熱。

在有軌電車儲能部件熱控制技術的研究中，泡沫銅/石蠟復合物體現了沿金屬纖維的熱傳遞，將熱量通過較大的比表面積擴散到裝置的所有部分，熱導率高的優(yōu)勢。

可見泡沫銅/石蠟相變復合材料有其特殊的優(yōu)勢和很大的應用空間。

【參考文獻】

[1]陳文革，張強.泡沫金屬的特點、應用、制備、與發(fā)展.

[2]盛強，邢玉明，王澤泡沫金屬復合相變材料的制備與性能分析.

[3]張寅平，康艷兵.江億相變和化學反應儲能在建筑 供暖空調領域的應用研究[J].暖通空調，1999，29（5）：34-38.

[4]韓德奇，潘金亮石蠟相變儲能材料的生產技術及其應用.

[5]李得倫石蠟相變材料的傳熱與控溫性能研究[D].華南理工大學，2012.

[6]鄭煥培泡沫銅/石蠟復合相變材料傳熱性能研究.

[7]魏高升，王遙，楊彥平，徐超，杜小澤基于孔尺度的泡沫金屬強化相變儲熱材料 傳熱性能數值模擬.